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Wenn die Kommunikations-Chips mehrere Protokolle verstehen, kommt die Gerätefamilie mit weniger Mitgliedern aus Bild: Georg Krause/Renesas Electronics
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Große Vielfalt mit wenigen Varianten

Text: Andreas Schwope, Renesas
Schnelle Multiprotokoll-Chips bieten eine flexible Grundlage, um unterschiedliche Kommunikationsprotokolle mit dem gleichen Automatisierungsgerät zu unterstützen. Der folgende Beitrag zeigt eine Möglichkeit, diese Flexibilität auf ein modulares Gehäusekonzept einer Gerätefamilie für verschiedene Schnittstellenkonfigurationen auf der Applikationsseite zu erweitern.

In der Automatisierungstechnik sind im Zuge von Industrie 4.0 Kommunikations-Controller gefragt, die zahlreiche etablierte Ethernet-Standards, wie Profinet, Ethercat, Ethernet/IP, Modbus/TCP und andere, lediglich durch Austausch der Firmware abdecken können. Die Flexibilität, die sich bei diesen Multiprotokoll-Chips auf der Netzwerkseite ergibt, sollte sich auch auf der Applikationsseite des Automatisierungsgeräts fortsetzen. Eine universelle Einsatzfähigkeit sowohl bei der Kommunikation als auch bei der Applikation kann sowohl die Entwicklungs- als auch die Produktions- und Lagerkosten einer Gerätefamilie drastisch senken.

Nur eine entsprechend große Auswahl an standardisierten Schnittstellen des Kommunikations-Controllers kann diese erweiterte Anforderung an unterschiedliche Ein- und Ausgabeschnittstellen in verschiedenen Konfigurationen erfüllen. Renesas bietet für solche Einsatzbereiche die R-IN32M3-Familie an, ein multiprotokollfähiges System on Chip (SoC) auf Basis des ARM Cortex-M3 mit mehr als einem 1 MByte internem Speicher. Ihre zahlreichen Schnittstellen ermöglichen den Einsatz in unterschiedlichen Applikationsszenarien. Neben den bis zu 96 allgemein nutzbaren Ein-/Ausgabe-Pins (General Purpose I/O, GPIO) können über Portmultiplexing andere Schnittstellen aktiviert werden, darunter CSI, CAN, I2C und UART. Weitere externe Schaltungsteile bis zu einer Größe von 4 GByte spricht die CPU direkt über eine universell einsetzbare parallele Datenschnittstelle an, wie beispielsweise SRAM, paralleles Flash oder eine adressierbare externe Logik.

Spezifische Anpassungen

Auf der Applikationsseite gibt es ungezählte Variationsmöglichkeiten von Steckverbindern in unterschiedlicher Anzahl und Konfiguration. Zwangsweise sind damit beim Gehäusedesign mechanische Unterschiede der Steckeranordnungen zu berücksichtigen. Es gibt also keine einheitliche Geräteschaltung und somit auch keine universelle Gehäusemechanik, die unverändert alle möglichen Applikations- und Schnittstellenszenarien abdeckt. Um dennoch die Kostenstruktur für eine Automatisierungsgerätefamilie gering zu halten, sollten Entwickler eine Gerätefamilie nach bestimmten Gesichtspunkten entwerfen und ihr Design in unterschiedliche Bereiche aufteilen. In einem Teil befinden sich alle wiederverwendbaren Funktionen und elektromechanischen Komponenten. Hierzu zählen im Wesentlichen der Geräte-Controller selbst, die Stromversorgung des gesamten Gerätes und andere zum allgemeinen Betrieb benötigten Bauteile, die innerhalb der Gerätefamilie nicht modifiziert werden müssen.

Ein weiterer Bereich umfasst den Schaltungsteil für die anzupassenden Schnittstellen. Um ihn von einer kompakten Anordnung der Steckverbinder unabhängig zu halten, kann dieser auf einer Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) zusammen mit dem ersten wiederverwendbaren Teil aufgebaut werden. Zur klaren Abgrenzung voneinander sind beide innerhalb der eigenen PCB-Fläche angeordnet und über eine gemeinsame Controller-Schnittstelle verbunden.

Alle I/O-Steckverbindungen sind auf einer separaten Leiterplatte realisiert, um den Schaltungsteil auf dem ersten PCB von den elektromechanischen Randbedingungen weitgehend unabhängig zu halten. Dieses Board wird oberhalb des ersten montiert und ist über eine gemeinsame Steckverbindung an die Schaltung und die Spannungsversorgung darunter angeschlossen.

Best Practice für Entwickler

Renesas hat mit der R-IN32M3-Remote I/O-Geräte-Studie ein flexibles Gehäusekonzept für die industrielle Kommunikation entwickelt. Dieses schöpft zum einen die Multiprotokollfähigkeit des R-IN32M3 bei der Netzwerkkommunikation voll aus. Zum anderen bietet es einen modularen Ansatz auf der Schnittstellen- und Applikationsseite. Mit einem derartigen Konzept können Entwickler eine Gerätefamilie schnell und mit geringen Kosten um weitere I/O-Module erweitern oder diese an unterschiedliche Applikationsszenarien anpassen. Ein weiterer Pluspunkt der eingesetzten System-on-Chip-Lösung ist die Unterstützung von isochronem Echtzeitbetrieb, der besonders kurze Reaktionszyklen bei gleichzeitig niedriger Abweichung (Jitter) aufweist und damit für vielfältige Anwendungen in Betracht kommt.

Das Modul besteht im Wesentlichen aus dem Main-Board mit dem R-IN32M3, Flash-Speicher, Status-LEDs, Programmier- und Konfigurationsfunktionen, sowie der Spannungsversorgung des Gerätes, einem I/O-Board zur Befestigung der Steckverbinder, dem unteren Gehäuse zur Aufnahme der gesteckten Boards mit entsprechenden mechanischen Fixierungen und der Gehäuseabdeckung mit spezifischen Öffnungen aller Schnittstellen. Hinzu kommen LED-Anzeigen und Schalter sowie ein interner LED-Lichtleiter zur optischen Überbrückung der Distanz zwischen dem Mainboard und dem Gehäusedeckel.

Flexibles Basisdesign

Durch den Einsatz eines Multiprotokoll-Chips mit zahlreichen und unterschiedlichen Schnittstellen lässt sich ein universelles modulares Gehäusekonzept für die Industrieautomation entwickeln. Dies kann mit geringen Anpassungen zahlreiche Szenarien abdecken. Lediglich der weniger komplexe I/O-Bereich mit einer entsprechenden Gehäuseabdeckung ist für ein neues Gerät zu entwickeln oder anzupassen. Ein einfacher Treiber übernimmt die spezifische Anbindung der unterschiedlichen I/Os an den Kern der Modulsoftware.

Mehr Informationen zu den extrem kurzen Reaktionszeiten erhalten Sie im Interview mit Andreas Thamm von Renesas Electronics: „Wir reduzieren die Reaktionszeit auf weit unter eine Millisekunde“ .

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